Matematické modely obrazcù èásteèných výbojù

Matematické modely obrazců částečných výbojů
Doc. Ing. Karel Záliš, CSc., Ladislav Prskavec
ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky
Technická 2, 166 27 Praha 6
E-mail: {zalis, xprskave}@fel.cvut.cz
Vyhodnocování diagnostických parametrů a monitorování stavu izolačního systému
v provozu je prováděno nejen standardními klasickými procedurami [1], ale i moderními
expertními systémy s prvky umělé inteligence, které umožňují do vyhodnocování zahrnout i
zkušenosti expertů v této oblasti [2]. V Laboratoři vysokého napětí ČVUT v Praze byl
vytvořen digitální systém pro měření a zpracování dat z výbojové činnosti ([3]-[5]), který
používá pro vyhodnocování výbojové činnosti dva expertní systémy. Tento vyhodnocovací
systém je schopen vyhodnocovat, opravovat a ukládat naměřené hodnoty z diagnostických
měření, včetně informací a poznámek o stroji (zařízení, vzorku) a podmínkách měření.
Vyhodnocování vstupních dat je prováděno automaticky. Před vlastním vyhodnocením výbojové činnosti jsou naměřená data podrobena výběrovému zpracování s cílem odstranit náhodná data a typická rušení (náhodná rušení, rušení od provozu tyristorů apod.). Takto
“vyčištěné” údaje jsou dále upraveny pro vstup do expertních systémů. Pravidlový expertní
systém, založený na osvědčeném expertním systému Izolex, provádí amplitudovou analýzu
částečných výbojů (č.v.) s cílem určit rozsah poruchy izolačního systému. Neuronový
expertní systém (neuronová síť) je pak použit pro rozpoznávání obrazců č.v. s cílem zjistit
druh výbojové činnosti, resp. lokalizovat zdroje výbojové činnosti. Oba expertní systémy,
včetně jednotky klasického vyhodnocování výbojové činnosti, pracují simultánně a jejich
koordinaci provádí speciální software.
Vyhodnocení vstupních dat a jejich vizualizace (zobrazení na monitoru počítače formou
virtuálního panelu standardního měřicího přístroje) jsou prováděny automaticky a pomocí
systému alarmů a výroků (doporučení expertních systémů pro další provoz stroje) je uživatel
informován o současném stavu stroje, odhadu jeho chování v dalším provozu, případně o doporučeních pro další bezporuchový chod stroje.
Matematické modely obrazců č.v. jsou základním nástrojem pro generátor č.v. ([6], [7]),
který byl vyvinut jako doplněk k vyhodnocovacímu systému měřiče č.v. Neuronovou síť pro
rozpoznávání obrazců č.v. je totiž třeba naučit rozpoznávat č.v. s relativně velkou abstrakcí.
Proto byla fáze učení rozdělena do několika následujících fází:
1) Základní fáze - Jako trénovací množina pro učení neuronové sítě jsou použity
matematické modely obrazců č.v.
2) Střední fáze - Jako prvky trénovací množiny jsou použity hodnoty diagnostických
parametrů č.v. získaných při měření na jednoduchých vysokonapěťových uspořádáních.
3) Konečná fáze - Pro trénování neuronové sítě jsou použity reálné objekty se známými
závadami.
Matematické modely obrazců č.v. byly vytvořeny na základě pozorování výbojové
činnosti na modelových vysokonapěťových uspořádáních. Byly sejmuty průběhy č.v.,
provedena jejich kategorizace a byly vytvořeny počítačové algoritmy pro modelování
jednotlivých typů obrazců č.v. Na obrázcích 1 až 4 jsou ukázky obrazců č.v. na těchto
reálných uspořádáních: Klouzavé uspořádání (obrázek 1), klouzavé uspořádání chráněné
lakem SiB (obrázek 2), uspořádání hrot-deska s napětím na hrotu, deska uzemněna
(obrázek 3) a uspořádání hrot-deska s napětím na desce, hrot uzemněn (obrázek 4).
Obrázek 1
Obrázek 2
Obrázek 3
Obrázek 4
Generátor dat generuje sadu dat formálně podobnou sadě naměřených dat při měření
č.v., kterou vytváří měřicí jednotka. Na vyžádání z vyhodnocovacího počítače (pomocí signálů z programové části MCV_32 měřiče č.v. po sériové lince RS232) je pak z generátoru dat
odeslána sada hodnot, odpovídající deseti periodám, tj. 2000 dat s rozlišením 256 hladin. To
je dostatečná přesnost pro velikost zdánlivého náboje i dostatečně velká rychlost pro
zpracování signálů č.v. (maximálně 200 signálů č.v za periodu napájecího napětí, tj. za
20 ms). Fázový posuv impulsů č.v. se pak rozlišuje s přesností na 1,8 °el., což je přesnost pro
fázovou analýzu proudových impulsů č.v. dostatečná. Digitálně zpracovávány jsou tedy dva
parametry každého impulsu č.v. - jeho zdánlivý náboj q a fázový posuv ϕ.
Počítačový program generátoru dat č.v. byl vytvořen v jazyce Pascal za pomocí
programového prostředí Delphi pro operační systémy Win9x/NT. Důraz byl kladen na
jednoduchost ovládání a co možná největší uživatelskou přívětivost. Na obrázku 5 je ukázka
hlavního panelu generátoru dat. V okně je zobrazení jedné periody č.v., po ostatních
periodách (program generuje deset period) se můžeme pohybovat pomocí posuvníku. Ve
spodní části obrazovky jsou tři tlačítka sloužící k obsluze programu. Tlačítko Nastavení COM
nám umožňuje nastavit specifické parametry sériového portu. Tlačítko Otevřít komunikaci
nám nastaví program do režimu, kdy generátor dat čeká na signál (žádost) z vyhodnocovacího
počítače (od programu MCV_32). Po stisknutí tlačítka Spustit generátor se vygeneruje sada
impulsů a zobrazí se na obrazovce. V levé části obrazovky jsou políčka pro nastavení
parametrů jednotlivých typů výbojů. Operátor má možnost výběru z několika typů obrazců
č.v., včetně rušivých impulsů a pozadí. Program generuje všechny typy výbojů v poměrných
jednotkách, pro výslednou sadu dat se pak bere vždy největší hodnota, tzn. že vygenerované
hodnoty nejsou aditivní.
Obrázek 5
Generování náhodných pulsů se provádí tak, že v několika periodách (nastavitelných
v rozsahu 1-10) ze sady 10 period se vygeneruje impuls dané velikosti (nastavitelné v rozsahu
0-250). Umístění každého impulsu v dané periodě (jeho fázový posuv) je náhodné.
Generování tyristorových pulsů se provádí tak, že ve všech periodách se generují
impulsy, které mají vůči sobě stejný fázový posuv. Počet pulsů v periodě je nastavitelný, 3
nebo 6. Umístění prvního impulsu v první periodě je náhodné, další impulsy jsou
odpovídajícím způsobem posunuty dle počtu impulsů. Impulsy jsou vygenerovány v nastavitelné velikosti 0-250.
Generování obrazců č.v. je vlastně rozšířená možnost, která nám dovoluje generovat
celou sadu pulsů odpovídajících základním typům obrazců č.v. [8]. Typy obrazců č.v.
„uspořádání hrot-deska v plynech“, „uspořádání hrot-deska v kapalném dielektriku“ a
„dutinky v pevném dielektriku, u elektrod“ jsou ve dvou variantách, podle polarity na
elektrodách. Tyto přednastavené základní typy obrazců č.v. lze však libovolně měnit změnou
parametrů rozsahu a velikosti pulsů. Pulsy jsou rozděleny na dvě oblasti a pro každou oblast
je volitelná velikost pulsů (0-250) a rozsah výskytu pulsů v periodě. První oblast má
nastavení ±100, což odpovídá impulsům, které jsou seskupeny v oblastech při průchodu
napětí nulou. Druhá oblast je nastavitelná v rozsahu (0-200), tzn. kdekoliv v periodě.
Předdefinovaná data jsou vytvořena tak, že obrazce č.v. se generují do velikosti cca
175, náhodné výboje jsou pak v rozsahu 200-250. Tyto hodnoty lze měnit, je však nutné
kontrolovat, aby nedocházelo k překrývání jednotlivých typů výbojové činnosti.
Závěrem je třeba říci, že trénování neuronové sítě podle matematických modelů obrazců
č.v. je jen první fáze kompletního natrénování neuronové sítě. Generátor dat umožňuje
vytvářet trénovací množiny pro neuronové sítě s velkou variabilitou, záleží však na uživateli,
jak věrohodné prvky trénovací množiny tímto generátorem vytvoří.
Generátor dat nám též umožňuje on-line testování měřiče č.v. (resp. jeho ovládacího
počítačového programu MCV_32), přičemž vyhodnocovací počítač „nepozná“, zda jsou
vstupní data brána přímo z měření (ze snímací jednotky měřiče č.v.) nebo z generátoru dat.
Tak je možno testovat měřič č.v. (případně jiná zařízení) či samostatné expertní systémy.
Literatura
[1] Šandrik P., Zlatovský J.: Diagnostika a výstavba izolačního systému elektrických
strojov. Sborník konference DISEE’98, Bratislava and Častá - Píla (Slovakia), 1998,
s. 62-65.
[2] Záliš K.: Evaluation of Partial Discharge Measurement. Proceedings of the 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials
(ICPADM'2000), Xi'an (Čína), 2000, s. 856-859.
[3] Říha J., Záliš K.: Měřič částečných výbojů, typ MCV-99. ČVUT FEL v Praze, Praha,
listopad 1999.
[4] Patent č. 284557. Měřič částečných výbojů.
[5] Karas J.: Vyhodnocovací systém pro měření částečných výbojů. Diplomová práce,
ČVUT FEL v Praze, Praha, 1999.
[6] Prskavec L.: Generátor obrazců částečných výbojů pro trénování neuronových sítí.
Semestrální práce, ČVUT FEL v Praze, 2000.
[7] Záliš K., Prskavec L.: Data Generator for Testing of Partial Discharge Measurement
Equipment. Workshop 2001, Praha, 2001.
[8] König D., Rao Y.N.: Partial Discharges in Electrical power Apparatus. Vde-Vertag
GmbH, Berlin and Offenbach, 1993.